Luonnontieteiden osaaminen ja sen mittaaminen TIMSS-tutkimuksessa
TIMSS (Trends in International Mathematics and Science Study) on kansainvälinen tutkimus, joka arvioi 4. ja 8. vuosiluokan oppilaiden osaamista matematiikassa ja luonnontieteissä. Tutkimus järjestetään neljän vuoden välein, ja se tarjoaa arvokasta tietoa osaamisen tasosta ja sen muutoksista sekä koulutusjärjestelmistä eri maissa, sillä tutkimuksessa tarkastellaan oppilaiden matematiikan ja luonnontieteiden osaamista opetussuunnitelmaperustaisesti.
TIMSS-tutkimuksen historia ulottuu ensimmäiseen tutkimuskierrokseen vuonna 1995, ja suomalaisoppilaat osallistuivat TIMSS-tutkimukseen ensimmäisen kerran vuonna 1999. Kansainvälisesti TIMSS-tutkimusta koordinoi IEA (International Association for the Evaluation of Educational Achievement), ja Suomessa IEA:n tutkimukset on toteuttanut Jyväskylän yliopiston Koulutuksen tutkimuslaitos yhteistyössä opetus- ja kulttuuriministeriön kanssa. Suomalaiset kahdeksannen vuosiluokan oppilaat ovat osallistuneet tutkimukseen vuosina 2011, 2019 ja 2023. Viimeisimmän TIMSS 2023 -tutkimuksen tulokset julkaistiin joulukuussa 2024. Kahdeksannen vuosiluokan arviointiin osallistui 44 maata tai hallinnollista aluetta. Suomesta tutkimukseen osallistui 5 880 kahdeksannen vuosiluokan oppilasta ja yli 400 matematiikan opetusryhmää 161 koulusta. Suomi on edelleen yksi johtavista maista luonnontieteiden osaamisessa, vaikka osaamistaso onkin laskenut aiempiin tutkimuksiin verrattuna ja osaamiserot oppilaiden välillä ovat kasvaneet. Suomen kahdeksasluokkalaisten luonnontieteiden keskiarvo oli vuoden 2023 tutkimuksessa 531 pistettä, kun se edellisessä, vuoden 2019 arvioinnissa oli 543 pistettä ja pidemmällä tarkastelujaksolla vuoden 2011 arvioinnissa 552 pistettä.
Mitä TIMSS-tutkimuksen luonnontieteiden tehtävät kattoivat?
Neljä sisältöaluetta – biologia, kemia, fysiikka ja maantieto – määrittävät luonnontieteiden kahdeksannen luokan arvioinnin sisällöt. Tämä sisältöalueiden jaottelu ei kuitenkaan täsmällisesti vastaa eri maiden opetussuunnitelmissa määriteltyjen oppiaineiden jaottelua. Suomessa terveystiedon oppiaine kattaa aiheita, jotka sisältyvät TIMSS-tutkimuksessa biologian sisältöalueeseen. Tutkimuksen yli 200 luonnontieteiden tehtävästä reilu kolmasosa käsitteli biologiaa, noin viidesosa kemiaa, hieman vajaa neljäsosa fysiikkaa ja noin viidesosa maantietoa. Suomessa sekä fysiikan että maantiedon keskiarvot olivat hieman kansallista kokonaiskeskiarvoa suurempia, kun taas biologian keskiarvo oli hieman kokonaiskeskiarvoa pienempi (kuvio 1). Kemian keskiarvo ei eronnut merkitsevästi kokonaiskeskiarvosta. Verrattaessa uusimpia tuloksia aiempiin tutkimuksiin huomataan fysiikan osaamisen tason säilyneen tasaisena niin lyhyen kuin pidemmänkin aikavälin tarkastelussa. Kemian, biologian ja maantiedon osaaminen on sen sijaan heikentynyt vuoden 2011 tutkimuksesta lähtien.
Sisältötietojen lisäksi luonnontieteiden tehtävien ratkaiseminen vaati oppilailta myös erilaisia kognitiivisia taitoja. TIMSS-tutkimuksessa kognitiiviset prosessitaidot luokiteltiin kolmeen laajaan prosessialueeseen – tietoihin ja taitoihin, soveltamiseen ja päättelyyn. Tiedot ja taidot -prosessialue kattaa luonnontieteelliset tosiasiat, menettelytavat ja käsitteet, jotka oppilaan on tiedettävä ja tunnistettava ja joita oppilaan täytyy osata kuvailla myös esimerkein. Soveltamisen prosessialue käsittelee sitä, miten oppilas osaa soveltaa tietoa ja käsitteellistä ymmärrystään luonnontieteellisen ongelman ratkaisemiseksi tai kysymykseen vastaamiseksi. Se pitää sisällään vertailua, luokittelua, tietojen yhdistämistä, mallintamista sekä havaittujen tulosten tulkintaa ja selittämistä. Päättelyn prosessialueen tehtävien tavoitteena on löytää joskus monimutkaisiakin asiayhteyksiä oppilaille entuudestaan tuntemattomien ja usein monivaiheisten ongelmien taustalta. Päättelyä mittaavat tehtävät vaativat esimerkiksi analysointia, tietojen yhdistelyä, tutkimuskysymysten ja hypoteesien muodostamista, kokeiden suunnittelua, käytettyjen menetelmien ja havaittujen tulosten arviointia sekä perusteltujen johtopäätösten esittämistä ja niiden yleistämistä laajempaan kokonaisuuteen. Luonnontieteiden tehtävistä kolmasosa mittasi tietoja ja taitoja, noin neljäsosa päättelyä ja loput, lähes puolet, soveltamista. Suomessa kaikkien prosessialueiden osaaminen oli yhtä vahvaa (kuvio 2). Verrattuna vuoden 2019 tutkimukseen soveltamisen osaaminen oli pysynyt ennallaan, mutta niin tiedoissa ja taidoissa kuin päättelyssäkin oli tapahtunut heikkenemistä. Pidemmällä aikavälillä tarkasteltuna, vuoteen 2011 verrattuna, kaikilla kolmella prosessialueella on tapahtunut merkitsevää laskua.
TIMSS-tutkimuksessa käytetään sekä monivalintatehtäviä että avoimia tehtäviä mittaamaan oppilaiden eri luonnontieteiden sisältöalueiden ja prosessialueiden osaamista. Monivalintatehtävät pisteytetään automaattisesti ja niitä on kahdenlaisia: yksinkertaisia monivalintatehtäviä, joissa valitaan yksi annetuista vaihtoehdoista, sekä monitahoisia monivalintatehtäviä, joissa tehdään useampia valintoja. Myös avoimia tehtäviä on kahdenlaisia: suppeissa avoimissa tehtävissä vastaukseksi riittää muutama sana, kun taas osa tehtävistä vaatii laajempia vastauksia. Kaikista tutkimuksen luonnontieteiden tehtävistä hieman yli puolet oli monivalintatehtäviä ja hieman vajaa puolet avoimia tehtäviä.
Kansainväliset suoritustasot osaamisen vertailun apuna
TIMSS-tutkimuksessa on määritelty neljä kansainvälistä suoritustasoa kuvaamaan oppilaiden suoriutumista eri osa-alueilla. Erinomaisen suoritustason saavuttaneiden oppilaiden keskiarvo oli vähintään 625 pistettä. Tällä suoritustasolla oppilaat osaavat osoittaa, soveltaa ja perustella vastauksissaan luonnontieteisiin liittyvien käsitteiden tuntemusta erilaisissa yhteyksissä, sekä käyttää monimutkaisempia tieteellisiä tutkimusmenetelmiä. Korkean suoritustason oppilaat ovat jääneet tämän pistemäärän alle, mutta saavuttaneet vähintään 550 pistettä. Korkean suoritustason oppilaat osaavat osoittaa ja soveltaa vastauksissaan luonnontieteiden käsitteiden tuntemusta ja käyttää useita tieteellisiä tutkimusmenetelmiä. Tyydyttävän suoritustason oppilaat puolestaan ovat saaneet vähintään 475 pistettä, mutta alle 550 pistettä. Tällä suoritustasolla oppilaat osaavat osoittaa ja soveltaa vastauksissaan luonnontieteiden käsitteiden tuntemusta ja käyttää joitakin tieteellisiä tutkimusmenetelmiä. Heikon suoritustason oppilaat ovat saavuttaneet vähintään 400 pistettä, mutta alle 475 pistettä. Tällä suoritustasolla oppilaat osaavat osoittaa ja soveltaa vastauksissaan joidenkin luonnontieteellisten tosiasioiden tuntemusta. Kuten kuvauksistakin käy ilmi, suoritustasot kumuloituvat, eli korkeamman suoritustason saavuttaneet oppilaat ovat samalla saavuttaneet myös sitä alemmat suoritustasot.
Nämä suoritustasot auttavat vertailemaan oppilaiden luonnontieteiden osaamista eri maissa. Eri suoritustasoille yltävien oppilaiden osuutta tarkasteltaessa havaitaan, että Suomessa parhaiten menestyneiden osuus on pysynyt likimain samana, mutta heikkojen osaajien osuus on kasvanut merkittävästi (kuvio 3). Vuonna 2011 Suomessa 99 prosenttia oppilaista ylitti heikon suoritustason rajan (400 pistettä), mikä oli selvästi suurin osuus maiden välisessä vertailussa. Vuonna 2019 vähintään heikolle suoritustasolle yltävien oppilaiden osuutta verrattaessa Suomea (94 %) suurempi osuus oli jo useassa maassa. Vuoden 2023 kierroksella Suomen heikon suoritustason ylittävien oppilaiden osuus on laskenut 91 prosenttiin.
Millaisia ovat eri suoritustasojen osaamista kuvaavat tehtävät?
Suurin osa TIMSS-tutkimuksen tehtävistä pidetään salassa, jotta niitä voidaan käyttää tulevilla tutkimuskierroksilla ja näin taata eri kierrosten välinen vertailtavuus. Tutkimuskonsortio kuitenkin julkaisee rajoitetusti joitain tehtäviä jokaiselta kierrokselta. Esittelemme tässä esimerkinomaisesti muutamia eri suoritustasojen osaamista kuvaavia tehtäviä. Tehtäviä tarkasteltaessa on kuitenkin tärkeää muistaa, että ne edustavat vain pientä osaa kaikista tutkimuksessa käytetyistä tehtävistä. Ensimmäinen esimerkkitehtävä sijoittuu fysiikan sisältöalueelle ja soveltamisen prosessialueelle. Tehtävä on esimerkki monitahoisesta monivalintatehtävästä, jossa oppilaan tulee tunnistaa, vetääkö sähkömagneetti puoleensa eri materiaaleista valmistettuja esineitä. Vähintään heikolle suoritustasolle yltävän oppilaan tulisi osata ratkaista tämä tehtävä. Tehtävän yhteydessä on annettu tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus Suomessa ja vertailun vuoksi myös Ruotsissa sekä kansainvälisesti keskimäärin. Suomalaisnuoret hallitsivat tehtävän verrattain hyvin, sillä lähes 80 prosenttia tunnisti oikein sähkömagneetin puoleensa vetämät esineet. Myös Ruotsissa ja kansainvälisesti keskimäärin yli 70 prosenttia oppilaista oli osannut tehtävän.
Huom. Artikkelissa esitettyjen esimerkkitehtävien tekijänoikeudet omistaa IEA ja KTL. Niiden hyödyntäminen, uudelleenjakelu, kopioiminen tai lähettäminen eteenpäin on kielletty kaikissa muodoissa, ellei IEA ole antanut siihen kirjallista lupaa. Copyright Notice and Disclaimer »
Esimerkkitehtävä 1. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 79,0 % / Ruotsi 74,6 % / Kansainvälinen keskiarvo 72,1 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62242)
Toinen esimerkkitehtävä vaatii päättelyä ja biologian sisältöalueen osaamista. Tehtävä on esimerkki laajasta avoimesta tehtävästä, joka vaatii asianmukaisen perustelun kirjoittamisen ja joka on pisteytetty kansallisessa tutkimuskeskuksessa manuaalisesti noudattaen tarkasti kansainvälistä ohjeistusta. Tehtävästä suoriutuminen vastasi vähintään tyydyttävää suoritustasoa. Suomalaisnuoret osasivat tämän tehtävän huomattavan hyvin, sillä Suomessa tehtävän ratkaisuprosentti oli 77. Ruotsissa ja kansainvälisesti keskimäärin ratkaisuprosentti oli alle 60.
Esimerkkitehtävä 2. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 77,0 % / Ruotsi 58,3 % / Kansainvälinen keskiarvo 57,7 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62064)
Kolmas esimerkkitehtävä käsittelee kemian sisältöaluetta ja prosessialueista tarvitaan tietoja ja taitoja. Tehtävä on esimerkki suppeasta avoimesta tehtävästä ja tehtävässä oppilaan tulee tunnistaa typpihapon kunkin alkuaineen atomien lukumäärä. Tehtävästä suoriutuminen vastasi vähintään korkeaa suoritustasoa. Sekä suomalais- että ruotsalaisnuorista noin puolet osasi ratkaista tämän tehtävän kansainvälisen keskiarvon ollessa alle 40 prosenttia.
Esimerkkitehtävä 3. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 49,4 % / Ruotsi 49,7 % / Kansainvälinen keskiarvo 38,5 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62006)
Myös neljännestä esimerkkitehtävästä suoriutuminen vastasi vähintään korkeaa suoritustasoa. Tämä tehtävä mittasi fysiikan sisältöalueen ja soveltamisen prosessialueen osaamista. Tehtävä on vastausmuodoltaan yksinkertainen monivalintatehtävä ja vastatakseen tehtävään oikein oppilaan tulee soveltaa tietämystään lämmön siirtymisestä ja tunnistaa kuvaaja, jossa kaksi ainetta saavuttaa lopulta lämpötasapainon. Suomessa lähes 70 prosenttia ja Ruotsissa hieman Suomea pienempi osuus oli osannut tämän tehtävän. Kansainvälinen keskiarvokin oli lähes 57 prosenttia.
Esimerkkitehtävä 4. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 69,9 % / Ruotsi 64,3 % / Kansainvälinen keskiarvo 56,6 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62132)
Viides esimerkkitehtävä sijoittuu erinomaiselle suoritustasolle. Tämä tehtävä mittasi maantiedon sisältöalueen sekä tietojen ja taitojen prosessialueen osaamista. Tehtävä on vastausmuodoltaan yksinkertainen monivalintatehtävä ja vastatakseen tehtävään oikein oppilaan tulee tietää kaasu, joka muodostaa suurimman osan maapallon ilmakehästä. Tämä tehtävä oli osattu sekä Suomessa että Ruotsissa kansainvälistä keskiarvoa heikommin.
Esimerkkitehtävä 5. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 36,4 % / Ruotsi 28,4 % / Kansainvälinen keskiarvo 40,6 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62205)
Myös viimeinen eli kuudes esimerkkitehtävä sijoittuu erinomaiselle suoritustasolle. Tämä tehtävä oli kemian osaamisen soveltamista mittaava tehtävä. Tehtävä on vastausmuodoltaan yksinkertainen monivalintatehtävä yhdistettynä laajaan avoimeen vastaukseen. Oppilaan tulee aluksi tunnistaa, onko kyseessä fysikaalinen vai kemiallinen muutos, ja sen jälkeen perustella valintansa. Myös tämä tehtävä oli osattu sekä Suomessa että Ruotsissa kansainvälistä keskiarvoa heikommin.
Esimerkkitehtävä 6. Tehtävän oikein ratkaisseiden oppilaiden osuus: Suomi 23,2 % / Ruotsi 20,1 % / Kansainvälinen keskiarvo 25,7 % (lähde: TIMSS 2023 / SE62276)
TIMSS-tutkimuksen tehtävät vastaavat hyvin Suomen luonnontieteiden opetussuunnitelmaa
Kuten mainittua, TIMSS-tutkimuksessa sisällöt pohjautuvat osallistuvien maiden opetussuunnitelmiin ja opetussuunnitelmista on pyritty löytämään mahdollisimman paljon kaikille maille yhteisiä sisältöjä. TIMSS-tutkimuksessa toteutetaankin analyysi TIMSS-kokeen tehtävien sisältymisestä kunkin tutkimukseen osallistuvan maan opetussuunnitelmaan. Tätä analyysia varten jokainen tehtävä on käyty läpi arvioiden, onko tehtävä relevantti kyseiselle luokka-asteelle kyseisen koulutusjärjestelmän opetussuunnitelman mukaisesti. Esimerkiksi Suomessa, jossa perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet eivät määrittele opetettavia sisältöjä luokka-asteen tarkkuudella, asiantuntijat tekevät parhaansa pohtiessaan, onko kyseinen sisältö opetettu yli puolelle luokka-asteen oppilaista. Suomessa TIMSS-tutkimuksen luonnontieteiden tehtävien voidaan sanoa vastaavan hyvin Suomen opetussuunnitelman sisältöjä, eikä sellaisten tehtävien poistamisella, jotka eivät sisältyneet opetussuunnitelmaan, ollut vaikutusta tutkimuksen luonnontieteiden kokonaiskeskiarvoon Suomessa.
TIMSS 2023 -tutkimuksessa tarkasteltiin ensimmäistä kertaa oppilaiden ympäristötietoisuutta omana kokonaisuutenaan poimimalla kognitiivisesta kokeesta kyseisen aihepiirin tehtäviä. Kansainvälisesti tarkasteltuna suomalaisnuorten osaaminen ympäristötietoisuutta mittaavissa tehtävissä oli kärkitasoa. Ilahduttavaa oli myös, että tarkasteltaessa ympäristötietoisuutta mittaavia tehtäviä näiden keskiarvo oli Suomessa merkitsevästi kokonaiskeskiarvoa korkeampi. Näissä tehtävissä keskityttiin oppilaiden kykyyn ymmärtää ympäristöön liittyviä käsitteitä ja ilmiöitä sekä heidän asenteisiinsa ympäristönsuojelua kohtaan, pyrkien näin mittaamaan, kuinka hyvin oppilaat ymmärtävät ympäristön tilaan vaikuttavia tekijöitä ja kuinka motivoituneita he ovat toimimaan ympäristön hyväksi. Mielenkiintoista on myös nähdä, kuinka tänä vuonna toteutettavan PISA 2025 -tutkimuksen, jossa pääarviointikohteena ovat luonnontieteet ja jonka keskeisenä teemana on ihmisen vaikutus maapallon ekosysteemeihin, tulokset vertautuvat nyt saatuihin TIMSS-tuloksiin. Molemmat tutkimukset korostavat ympäristötietoisuuden merkitystä, mutta lähestyvät aihetta eri näkökulmista toisen ollessa opetussuunnitelmapohjainen ja toisen tutkiessa, miten 15-vuotiaat nuoret hallitsevat tulevaisuuden kannalta keskeisiä avaintaitoja. TIMSS 2023 keskittyy enemmän oppilaiden tietämykseen ja asenteisiin ympäristönsuojelua kohtaan, kun taas PISA 2025 painottaa oppilaiden kykyä toimia ja vaikuttaa ympäristöasioissa. Molemmat tutkimukset tunnistavat tärkeäksi, että koulutusjärjestelmät ympäri maailmaa integroivat ympäristötietoisuuden ja kestävän kehityksen periaatteet opetussuunnitelmiinsa. Tämä ei ainoastaan auta oppilaita kehittämään tarvittavia taitoja ja asenteita, vaan myös ohjaa heitä toimimaan vastuullisesti ja tehokkaasti ympäristön hyväksi nyt ja tulevaisuudessa.
Huom. Artikkelissa esitettyjen esimerkkitehtävien tekijänoikeudet omistaa IEA ja KTL. Niiden hyödyntäminen, uudelleenjakelu, kopioiminen tai lähettäminen eteenpäin on kielletty kaikissa muodoissa, ellei IEA ole antanut siihen kirjallista lupaa. Copyright Notice and Disclaimer »
Lähteet
Hiltunen, J., Kotila, J., Lehtola, P., Kauppinen, H., Markkanen, I., Nissinen, K., Puhakka, E., Pulkkinen, J., Vaara, E. & Vettenranta, J. (2024). Haasteena eriytyvä osaaminen: kahdeksannen luokan oppilaiden matematiikan ja luonnontieteiden osaaminen. Koulutuksen tutkimuslaitos, Tutkimuksia 42. Jyväskylän yliopisto, Koulutuksen tutkimuslaitos. https://doi.org/10.17011/ktl-t/42
IEA’s Trends in International Mathematics and Science Study – TIMSS 2023 Copyright © 2025 International Association for the Evaluation of Educational Achievement (IEA). Publisher: TIMSS & PIRLS International Study Center, Lynch School of Education and Human Development, Boston College.
Tilaa Dimension uutiskirje – saat sähköpostiisi aina kuunvaihteessa koosteen tuoreimmista artikkeleista
